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        大豆膨脹素基因GmEXPB5和GmEXPB7生物信息學(xué)及表達(dá)分析

        2024-12-08 00:00:00馬洪宇,翟瑩,張軍,陳炯辛,張勇,馬天意,李珊珊
        廣西植物 2024年7期

        摘要: 膨脹素(expansin,EXP)通過(guò)調(diào)控細(xì)胞壁的松弛在植物應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫過(guò)程中起著重要作用。為研究EXP基因在大豆應(yīng)對(duì)非生物脅迫過(guò)程中的作用,該文對(duì)大豆中的兩個(gè)EXP基因(GmEXPB5和GmEXPB7)及其蛋白序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析,通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)檢測(cè)基因表達(dá)量。結(jié)果表明:(1) GmEXPB5和GmEXPB7分別位于大豆第10號(hào)和第12號(hào)染色體上,編碼的蛋白序列長(zhǎng)度分別為272和267個(gè)氨基酸。GmEXPB5蛋白分子量為29.07 kD,理論等電點(diǎn)為7.51;GmEXPB7蛋白分子量為29.09 kD,理論等電點(diǎn)為8.66。GmEXPB5和GmEXPB7均為穩(wěn)定的親水蛋白且定位于細(xì)胞壁中。GmEXPB5和GmEXPB7蛋白均含有一段信號(hào)肽序列和一個(gè)保守的DPBB_1結(jié)構(gòu)域。(2) GmEXPB5蛋白與鷹嘴豆CaEXPB15蛋白親緣關(guān)系最近,GmEXPB7蛋白與密花豆、赤豆和豇豆的EXPB3蛋白有著較近的親緣關(guān)系。(3) GmEXPB5和GmEXPB7在大豆根、莖和葉中均有表達(dá)且它們?cè)诟腿~中的表達(dá)量均顯著高于莖中的表達(dá)量。(4) GmEXPB5和GmEXPB7在大豆幼苗中可以響應(yīng)鹽、干旱和低溫脅迫。(5) GmEXPB5啟動(dòng)子區(qū)域含有2種與逆境相關(guān)的順式作用元件(ABRE和ARE);GmEXPB7啟動(dòng)子區(qū)域含有5種與逆境相關(guān)的順式作用元件(ABRE、ARE、CGTCA-motif、TC-rich repeats和MBS)。綜上所述,GmEXPB5和GmEXPB7能夠參與大豆對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答。

        關(guān)鍵詞: 大豆, 膨脹素, 生物信息學(xué)分析, 非生物脅迫, 表達(dá)分析

        中圖分類(lèi)號(hào): Q943文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1000-3142(2024)07-1289-10

        Bioinformatics and expression analysis of expansingenes GmEXPB5 and GmEXPB7 in soybean

        MA Hongyu1, ZHAI Ying1*, ZHANG Jun2, CHEN Jiongxin1,ZHANG Yong3, MA Tianyi1, LI Shanshan1

        ( 1. College of Life Science and Agro-Forestry of Qiqihar University, Qiqihar 161006, Heilongjiang, China; 2. Branch of Animal Husbandryand Veterinary of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Qiqihar 161005, Heilongjiang, China; 3. KeshanBranch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Qiqihar 161606, Heilongjiang, China )

        Abstract: Expansin (EXP) plays an important role in plant response to environmental stress by regulating cell wall relaxation. To explore the role of EXP genes in soybean response to abiotic stress, two soybean EXP genes (GmEXPB5 and GmEXPB7) and their protein sequences were analyzed by bioinformatics, and their expression levels were detected by real-time fluorescent quantitative PCR (qRT-PCR). The results were as follows: (1) The GmEXPB5 and GmEXPB7 were located on chromosomes 10 and 12 of soybean, and encoded proteins containing 272 and 267 amino acids, respectively. The molecular weight of GmEXPB5 protein was 29.07 kD and the theoretical isoelectric point was 7.51. The molecular weight of GmEXPB7 protein was 29.09 kD and the theoretical isoelectric point was 8.66. Both GmEXPB5 and GmEXPB7 were stable hydrophilic proteins, and localized in the cell wall. Both GmEXPB5 and GmEXPB7 proteins contained a signal peptide sequence and a conserved DPBB_1 structural domain. (2) GmEXPB5 protein had the closest affinity with CaEXPB15 protein of Cicer arietinum, and GmEXPB7 protein was closely related to EXPB3 proteins of Spatholobus suberectus, Vigna angularis and V. unguiculata. (3) GmEXPB5 and GmEXPB7 were expressed in root, stem and leaf of soybean, and their expression levels in root and leaf were significantly higher than those in stem. (4) GmEXPB5 and GmEXPB7 could respond to salt, drought and cold stresses in soybean seedlings. (5) The promoter region of GmEXPB5 contained two types of stress-related cis-elements (ABRE and ARE). The promoter region of GmEXPB7 contained five types of stress-related cis-elements (ABRE, ARE, CGTCA-motif, TC-rich repeats and MBS). In conclusion, these results indicate that GmEXPB5 and GmEXPB7 can participate in the response of soybean to abiotic stress.

        Key words: soybean (Glycine max), expansin, bioinformatics analysis, abiotic stress, expression analysis

        膨脹素(expansin,EXP)是一種參與改變植物細(xì)胞壁發(fā)育過(guò)程的非水解活性松弛蛋白,又稱(chēng)擴(kuò)展蛋白。EXP于1992年在酸誘導(dǎo)黃瓜下胚軸細(xì)胞壁伸長(zhǎng)的研究中首次被發(fā)現(xiàn)(McQueen-Mason et al., 1992)。后續(xù)從植物細(xì)胞壁中純化并鑒定出多種EXP,如擬南芥、番茄、煙草和水稻等(張安等,2013)。EXP廣泛存在與植物中,主要包括EXPA(α-expansin)、EXPB(β-expansin)、EXLA(expansin-like A)和EXLB(expansin-like B)4個(gè)亞家族(Sampedro & Cosgrove, 2005)。其中,EXPA和EXPB兩個(gè)亞家族蛋白數(shù)量在植物中占多數(shù),EXPA主要存在于雙子葉植物和非禾本科單子葉植物中,而EXPB則多存在于禾本科單子葉植物中。對(duì)于EXLA和EXLB數(shù)量的相關(guān)研究較少,最初是在水稻和擬南芥中被發(fā)現(xiàn)(徐筱等,2010)。

        研究表明,EXP基因在調(diào)節(jié)細(xì)胞大小(Yin et al., 2023)、種子萌發(fā)(Yan et al., 2014)、根伸長(zhǎng)(Noh et al., 2013)、葉生長(zhǎng)(Zhou et al., 2015)、莖節(jié)間伸長(zhǎng)(Kuluev et al., 2014)、氣孔開(kāi)合(Wei et al., 2011)、花發(fā)育(Kuluev et al., 2012)、果實(shí)軟化成熟(Brummell et al., 1999; Jiang et al., 2019)、營(yíng)養(yǎng)吸收(Zhou et al., 2014)和種子產(chǎn)量(Calderini et al., 2021)等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用。此外,EXP基因參與調(diào)控植物非生物脅迫的研究也在逐漸開(kāi)展。例如:干旱和缺磷條件能夠誘導(dǎo)水稻OsEXPB2基因的表達(dá)(文文乙豪,2013);遭遇鹽脅迫時(shí),玉米抗鹽品種中ZmExpB2、ZmExpB6和ZmExpB8的表達(dá)量上調(diào)(Geilfus et al., 2010);谷子SiEXPB5在干旱脅迫下表達(dá)量增加,其異源表達(dá)能夠增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗旱性(王金榮,2020);野生大豆GsEXPB1對(duì)促進(jìn)大豆根系生長(zhǎng)及耐鹽性的提高起到積極作用(Feng et al., 2022);野生大麥HvEXPB7通過(guò)促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)來(lái)增強(qiáng)抗旱性(He et al., 2015);過(guò)表達(dá)小麥TaEXPB23使轉(zhuǎn)基因煙草抗旱性得到提高(Li et al., 2011),而TaEXPB7-B則參與轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)低溫脅迫的耐受性(Feng et al., 2019);擬南芥AtEXP3和AtEXP-β1的過(guò)表達(dá)則提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)鹽脅迫的敏感性(Kwon et al., 2008)。

        大豆是植物油和蛋白質(zhì)的主要來(lái)源之一,其特殊的固氮能力使其成為輪作系統(tǒng)和間作栽培模式中的高利潤(rùn)作物(Liu et al., 2020)。大豆在生長(zhǎng)過(guò)程中易受高鹽、干旱和低溫等非生物脅迫的危害,它們不僅影響大豆的生長(zhǎng)發(fā)育,還影響其產(chǎn)量和品質(zhì)(蓋鈞鎰,2003; Wang et al., 2003)。因此,大豆抗逆基因的挖掘?qū)τ诖蠖箍剐云贩N的選育具有十分重要的意義。目前,EXPB基因與植物抗逆性的相關(guān)研究大多集中于禾本科作物。大豆中僅發(fā)現(xiàn)GmEXPB2在非生物脅迫環(huán)境下與根系統(tǒng)的形態(tài)建成密切相關(guān)(Guo et al., 2011)。鑒于EXPB基因的研究可能對(duì)大豆抗逆性的改良及產(chǎn)量的提高發(fā)揮積極作用,而轉(zhuǎn)錄因子家族基因的功能又存在冗余性,因此有必要對(duì)大豆EXPB家族中的關(guān)鍵抗逆基因進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和鑒定。本研究從大豆EXPB基因家族中選取GmEXPB5和GmEXPB7進(jìn)行生物信息學(xué)分析,并對(duì)其在大豆根、莖、葉及非生物脅迫處理下的表達(dá)量進(jìn)行檢測(cè),為大豆EXPB基因抗逆機(jī)制的研究及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        1材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        所用試驗(yàn)材料為黑龍江省西部地區(qū)廣泛種植的耐旱大豆品種‘克山1號(hào)’,由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院提供。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 生物信息學(xué)分析從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中下載大豆GmEXPB5和GmEXPB7的基因編碼序列及蛋白質(zhì)氨基酸序列;使用在線網(wǎng)站ProtParam(https://web.expasy.org/protparam/)進(jìn)行蛋白質(zhì)的基本理化性質(zhì)分析;利用在線網(wǎng)站PSORT(https://www.genscript.com/tools/psort)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位;利用在線網(wǎng)站SMART(https://smart.embl-heidelberg.de/)分析預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)序列的保守結(jié)構(gòu)域及所在位置;使用DNAMAN 8軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)序列比對(duì);利用在線網(wǎng)站MEME(https://meme-suite.org/meme/tools/meme)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)保守基序(Motif);使用在線數(shù)據(jù)庫(kù)Phytozome(https://phytozome-next.jgi.doe.gov/blast-search)搜索并下載GmEXPB5和GmEXPB7的啟動(dòng)子序列,并利用在線軟件PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)預(yù)測(cè)GmEXPB5和GmEXPB7啟動(dòng)子中的順式作用元件;利用MEGA 7軟件構(gòu)建EXPB蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。

        1.2.2 大豆幼苗非生物脅迫處理選擇大小一致、飽滿的大豆種子,于2022年10月均勻播撒在盛滿無(wú)菌土的介質(zhì)中,覆膜管理。待種子萌發(fā),根長(zhǎng)至6~8 cm時(shí)移入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng),期間2~3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。待幼苗長(zhǎng)至第1片三出復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí)對(duì)其分別進(jìn)行鹽、干旱和低溫脅迫處理。鹽脅迫處理時(shí)將幼苗放入NaCl終濃度為 250 mmoL·L-1的營(yíng)養(yǎng)液中;將幼苗放置在終濃度為20% PEG8000的營(yíng)養(yǎng)液中模擬干旱脅迫處理;低溫處理時(shí)將幼苗放置于4 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。將未經(jīng)處理的0 h以及脅迫處理后的1、2、5、10、24 h設(shè)置為取樣時(shí)間點(diǎn),在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別取稱(chēng)0.1 g第1片三出復(fù)葉并于液氮中速凍。此外,分別稱(chēng)取0.1 g未處理的根和莖于液氮中速凍。所取樣品材料均保存在-80 ℃超低溫冰箱中。

        1.2.3 RNA的提取及cDNA合成利用TaKaRa公司的RNAiso Plus試劑分別提取上述各樣本的總RNA;使用Innovagene公司的反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA第一鏈,-20 ℃凍存。

        1.2.4 實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)利用Primer Premier 5.0軟件,根據(jù)GmEXPB5和GmEXPB7的cDNA序列設(shè)計(jì)qRT-PCR引物。qRT-PCR內(nèi)參基因選取大豆Gmβ-Tubulin基因(Qiu et al., 2020)。3對(duì)qRT-PCR引物序列如表1所示,引物由長(zhǎng)春生工生物公司合成。以各樣品的cDNA為模版,使用Innovagene公司的2×Taq SYBR Green qPCR Mix試劑盒,在BIO-RAD CFX96 Real-Time PCR儀上,對(duì)GmEXPB5和GmEXPB7在根、莖、葉及非生物脅迫下的表達(dá)量進(jìn)行qRT-PCR檢測(cè)。qRT-PCR的程序設(shè)置和體系參照Qiu等(2020),所有處理均采用3次重復(fù),以2-ΔΔCt法計(jì)算GmEXPB5和GmEXPB7的基因相對(duì)表達(dá)量。

        2結(jié)果與分析

        2.1 GmEXPB5和GmEXPB7基因及蛋白序列分析

        2.1.1 GmEXPB5和GmEXPB7基本理化性質(zhì)分析從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取兩個(gè)功能未被鑒定的大豆EXPB基因,即GmEXPB5(GenBank登錄號(hào):NM001261433)和GmEXPB7(GenBank登錄號(hào):NM001267069)。如表2所示,GmEXPB5和GmEXPB7基因分別位于大豆第10號(hào)和第12號(hào)染色體上, 編碼的蛋白序列長(zhǎng)度分別為272和267個(gè)氨基酸。GmEXPB5蛋白分子量為29.07 kD,理論等電點(diǎn)為7.51;GmEXPB7蛋白分子量為29.09 kD,理論等電點(diǎn)為8.66。GmEXPB5和GmEXPB7蛋白的不穩(wěn)定系數(shù)均小于40,親水性指數(shù)均為負(fù)值,表明它們均為穩(wěn)定的親水蛋白。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,GmEXPB5和GmEXPB7蛋白均定位于細(xì)胞壁中。

        2.1.2 GmEXPB5和GmEXPB7蛋白保守結(jié)構(gòu)域及保守基序(Motif)分析GmEXPB5和GmEXPB7蛋白的氨基酸序列如圖1所示,它們的同源性為45.79%。在GmEXPB5和GmEXPB7蛋白序列的N端均含有一段信號(hào)肽序列[GmEXPB5(第1到第29 位氨基酸);GmEXPB7(第1到第31位氨基酸)],它們能夠引導(dǎo)EXPB蛋白定位于細(xì)胞壁。此外,GmEXPB5和GmEXPB7蛋白均含有一個(gè)保守的由81個(gè)氨基酸殘基組成的DPBB_1結(jié)構(gòu)域[GmEXPB5(第83到第163位氨基酸);GmEXPB7(第78到第158位氨基酸)],此結(jié)構(gòu)域是EXP家族蛋白的共有結(jié)構(gòu)域。

        蛋白保守基序(Motif)分析結(jié)果如圖2所示,GmEXPB5和GmEXPB7蛋白共含有10個(gè)Motif。其中,Motif 3、Motif 1、Motif 5、Motif 2、Motif 7和Motif 4為GmEXPB5和GmEXPB7蛋白共有,并且它們?cè)趦蓚€(gè)蛋白序列中的分布位置和順序基本相同;Motif 10和Motif 9為GmEXPB5蛋白所特有,它們位于GmEXPB5蛋白序列N端;Motif 8和Motif 6為GmEXPB7蛋白所特有,它們同樣也位于GmEXPB7蛋白序列N端。

        2.1.3 植物EXPB蛋白系統(tǒng)進(jìn)化分析將16種植物中的36個(gè)EXPB蛋白構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。由圖3可知,GmEXPB5蛋白與鷹嘴豆CaEXPB15蛋白親緣關(guān)系最近,GmEXPB7蛋白則與密花豆、赤豆和豇豆的EXPB3蛋白有著較高的親緣關(guān)系。此外,除擬南芥外其他雙子葉植物EXPB1蛋白均處于同一分支,說(shuō)明同一基因在不同物種中仍具有較高同源性,但相同植物中的EXPB蛋白則存在較大差異,如GmEXPB5蛋白和GmEXPB7蛋白親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

        2.2 GmEXPB5和GmEXPB7在大豆根、莖和葉中的表達(dá)分析

        qRT-PCR結(jié)果(圖4)顯示,GmEXPB5和GmEXPB7在大豆根、莖和葉中均有表達(dá),但它們?cè)诟腿~中的表達(dá)量顯著高于莖中的表達(dá)量。

        2.3 GmEXPB5和GmEXPB7非生物脅迫表達(dá)分析

        對(duì)大豆幼苗分別進(jìn)行鹽、干旱和低溫脅迫處理。qRT-PCR檢測(cè)結(jié)果如圖5所示,鹽脅迫處理后,GmEXPB5的表達(dá)量先升高,處理1 h時(shí)達(dá)到最大值,為對(duì)照0 h表達(dá)量的6.9倍,之后下降,處理24 h時(shí)與對(duì)照0 h時(shí)的表達(dá)量已無(wú)明顯差異;GmEXPB7的表達(dá)量在處理后的1、5、24 h時(shí)均顯著高于對(duì)照0 h時(shí)的表達(dá)量且24 h時(shí)的表達(dá)量達(dá)到最大值,為對(duì)照0 h表達(dá)量的14.2倍。干旱脅迫處理后,GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá)量均存在先降低后升高的趨勢(shì),處理24 h時(shí)GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá)量均達(dá)到最大值,分別為對(duì)照0 h表達(dá)量的3.9倍和5.6倍。低溫脅迫處理后,GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá)量均下降,顯著低于對(duì)照0 h時(shí)的表達(dá)量。由以上結(jié)果推測(cè),GmEXPB5和GmEXPB7均可以參與大豆幼苗對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答。

        2.4 GmEXPB5和GmEXPB7啟動(dòng)子順式作用元件預(yù)測(cè)分析

        對(duì)GmEXPB5和GmEXPB7基因起始密碼子ATG上游2 000 bp的啟動(dòng)子序列中潛在的逆境相關(guān)順式作用元件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果如表3所示,GmEXPB5的啟動(dòng)子區(qū)域含有2種與逆境有關(guān)的順式作用元件,分別是2個(gè)脫落酸響應(yīng)元件(ABRE)和3個(gè)厭氧誘導(dǎo)元件(ARE);GmEXPB7的啟動(dòng)子區(qū)域含有5種與逆境有關(guān)的順式作用元件,分別是4個(gè)脫落酸響應(yīng)元件(ABRE)、3個(gè)厭氧誘導(dǎo)元件(ARE)、1個(gè)茉莉酸甲酯響應(yīng)元件(CGTCA-motif)、1個(gè)防御和脅迫響應(yīng)元件(TC-rich repeats)以及1個(gè)干旱誘導(dǎo)的MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)(MBS)。

        3討論與結(jié)論

        細(xì)胞壁是植物響應(yīng)和防御外界環(huán)境脅迫的首道屏障,細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成的改變是植物適應(yīng)外界環(huán)境脅迫的重要機(jī)制之一。EXP作為一種酶蛋白能夠以非水解的方式作用于細(xì)胞壁,在不改變細(xì)胞壁共價(jià)結(jié)構(gòu)的同時(shí)打斷多糖間交聯(lián)的氫鍵,從而增加細(xì)胞壁的柔韌性,促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)(Feng et al., 2019)。因此,EXP可以通過(guò)重塑細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)助植物抵御外界的不利環(huán)境條件(Lü et al., 2013; Li et al., 2015)。Zhu等(2014)發(fā)現(xiàn)大豆中存在9個(gè)EXPB基因, 本研究對(duì)其中的GmEXPB5和GmEXPB7進(jìn)行了生物信息學(xué)分析。在GmEXPB5和GmEXPB7蛋白序列N端均預(yù)測(cè)到信號(hào)肽序列,同樣亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果也顯示它們定位在細(xì)胞壁中,這與大多數(shù)已報(bào)道的EXPB蛋白屬于細(xì)胞壁蛋白這一結(jié)論相吻合(Choi et al., 2008)。但是,本研究中的亞細(xì)胞定位結(jié)果僅為軟件預(yù)測(cè),在后續(xù)的基因功能研究中應(yīng)選擇合適的表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。蛋白系統(tǒng)進(jìn)化分析結(jié)果顯示,盡管GmEXPB5蛋白和GmEXPB7蛋白的親緣關(guān)系并不近,但與它們各自親緣關(guān)系較近的EXPB蛋白仍來(lái)自豆科植物。

        前人研究發(fā)現(xiàn),部分EXP基因在植物中的表達(dá)具有一定的組織特異性。例如:水稻OsEXPB5和大麥HvEXPB1在根毛中特異性表達(dá)(Won et al., 2010);小麥EXP基因在不同組織器官中也存在差異表達(dá)且具有表達(dá)偏好性,在根中的表達(dá)量普遍較高(Han et al., 2019);煙草NtabEXPA12則主要在葉片中表達(dá),可能參與煙葉生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控(丁安明等,2021)。在本研究中,盡管GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá)不具有組織特異性,但它們?cè)诟腿~中的表達(dá)量仍顯著高于莖中的表達(dá)量,推測(cè)GmEXPB5和GmEXPB7在大豆的根、葉以及莖中均能夠發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。

        GmEXPB5和GmEXPB7可以參與大豆幼苗對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答,但它們的轉(zhuǎn)錄對(duì)鹽、干旱和低溫脅迫的響應(yīng)不同??傮w而言,鹽和干旱脅迫可以誘導(dǎo)GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá),但低溫脅迫則抑制了GmEXPB5和GmEXPB7的表達(dá)。馮珊珊等(2020)推測(cè),TaEXPB12-A/B/D基因在低溫脅迫下表達(dá)量的下降可能是為了通過(guò)減少根的表面積來(lái)減少低溫脅迫所造成的傷害,而干旱脅迫下基因表達(dá)量的升高可能是植物為了增強(qiáng)吸水能力而促進(jìn)根毛生長(zhǎng)的緣故。Han等(2019)推測(cè),小麥EXP基因在鹽脅迫下的上調(diào)表達(dá)還可能在維持細(xì)胞內(nèi)Na+和K+的平衡起重要作用。由此可以預(yù)見(jiàn),GmEXPB5和GmEXPB7可能在大豆抗鹽和抗旱基因工程育種中存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。Han等(2019)報(bào)道,不同EXP基因亞家族之間存在較大的結(jié)構(gòu)差異,但同一亞家族內(nèi)EXP基因具有較高的保守性,結(jié)構(gòu)比較相似。盡管本研究中GmEXPB5蛋白和GmEXPB7蛋白的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),但它們的組織表達(dá)模式和非生物脅迫表達(dá)模式總體來(lái)說(shuō)仍比較類(lèi)似,由此推測(cè)它們?cè)诠δ苌峡赡芤泊嬖谝欢ǖ南嗨菩?。?dāng)然,同一基因在植物不同組織中執(zhí)行的功能也并不完全相同,其轉(zhuǎn)錄水平的差異也并不一定代表其發(fā)揮作用的大小(Feng et al., 2022)。

        基因的表達(dá)調(diào)控與基因啟動(dòng)子中的順式作用元件密切相關(guān)(Lu et al., 2018)。GmEXPB5和GmEXPB7的基因表達(dá)均受非生物脅迫的調(diào)控,于是我們對(duì)它們啟動(dòng)子中逆境相關(guān)的順式作用元件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,所得結(jié)果與預(yù)期相符,GmEXPB5和GmEXPB7的啟動(dòng)子區(qū)域均含有多個(gè)激素和逆境響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件。楊瑞瑞等(2022)研究表明,脫落酸和茉莉酸等植物激素及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在環(huán)境脅迫過(guò)程中均起重要作用。GmEXPB5和GmEXPB7啟動(dòng)子中脫落酸和茉莉酸甲酯響應(yīng)元件的存在表明它們可能通過(guò)響應(yīng)一種或多種激素參與大豆對(duì)逆境脅迫的應(yīng)答。鹽和干旱脅迫能夠顯著誘導(dǎo)小麥部分EXP基因的表達(dá)也與它們啟動(dòng)子區(qū)含有數(shù)量不等的逆境相關(guān)順式元件有關(guān)(Han et al., 2019)。預(yù)測(cè)分析結(jié)果顯示,GmEXPB7啟動(dòng)子中逆境響應(yīng)元件的種類(lèi)及數(shù)量均大于GmEXPB5啟動(dòng)子,推測(cè)這是導(dǎo)致GmEXPB7對(duì)鹽和干旱脅迫的響應(yīng)程度強(qiáng)于GmEXPB5的原因。

        綜上所述,GmEXPB5和GmEXPB7均能參與大豆對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答,本研究為GmEXPB5和GmEXPB7基因的后續(xù)功能研究提供了理論依據(jù)。此外,大豆EXP基因家族成員眾多,后續(xù)也有必要對(duì)其他基因的功能進(jìn)行深入的挖掘和研究。

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        (責(zé)任編輯周翠鳴)

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